JPWO2019167929A1 - Ferromagnetic layered film, spin current magnetization rotating element, magnetoresistive effect element and magnetic memory - Google Patents
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Abstract
この強磁性積層膜は、複数の第1磁性層と、少なくとも一つの第2磁性層と、少なくとも一つの第1非磁性層とを備え、第1磁性層は第2磁性層又は第1非磁性層と交互に積層されていて、第1磁性層を構成する材料は第2磁性層を構成する材料と異なり、前記第1磁性層と前記第1非磁性層と前記第2磁性層は、前記第1磁性層と前記第1非磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせであり、かつ前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせである。The ferromagnetic laminated film includes a plurality of first magnetic layers, at least one second magnetic layer, and at least one first nonmagnetic layer, and the first magnetic layer is the second magnetic layer or the first nonmagnetic layer. Different from the material forming the second magnetic layer, the first magnetic layer, the first non-magnetic layer, and the second magnetic layer are laminated alternately. A material combination in which an interface magnetic anisotropy is generated between the first magnetic layer and the first non-magnetic layer, and an interface magnetic anisotropy is generated between the first magnetic layer and the second magnetic layer. It is the material combination that occurs.
Description
本発明は、強磁性積層膜に関し、また、そのような強磁性積層膜を有するスピン流磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリにも関する。本発明は、2018年2月27日に出願された特願2018−033101号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。 The present invention relates to a ferromagnetic laminated film, and also relates to a spin current magnetization rotation element, a magnetoresistive effect element and a magnetic memory having such a ferromagnetic laminated film. The present invention claims priority based on Japanese Patent Application No. 2018-033101 filed on February 27, 2018, the contents of which are incorporated herein.
強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗(GMR)素子や、非磁性層として絶縁層(トンネルバリア層、バリア層)を用いたトンネル磁気抵抗(TMR)素子が知られている。一般に、TMR素子はGMR素子と比較して素子抵抗が高いものの、磁気抵抗(MR)比はGMR素子のMR比より大きい。そのため、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)用の素子として、TMR素子に注目が集まっている。 A giant magnetoresistive (GMR) element including a multilayer film of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer, and a tunnel magnetoresistive (TMR) element using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) as a nonmagnetic layer are known. .. Generally, the TMR element has a higher element resistance than the GMR element, but the magnetoresistive (MR) ratio is larger than the MR ratio of the GMR element. Therefore, attention is focused on the TMR element as an element for a magnetic sensor, a high frequency component, a magnetic head, and a nonvolatile magnetoresistive random access memory (MRAM).
MRAMは、絶縁層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きが変化するとTMR素子の素子抵抗が変化するという特性を利用してデータを読み書きする。MRAMの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込み(磁化反転)を行う方式や磁気抵抗素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク(STT)を利用して書き込み(磁化反転)を行う方式が知られている。STTを用いたTMR素子の磁化反転はエネルギーの効率の視点から考えると効率的ではあるが、データを書き込む際に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がある。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性を劣化させる場合がある。 The MRAM reads and writes data by utilizing the characteristic that the element resistance of the TMR element changes when the magnetization directions of the two ferromagnetic layers sandwiching the insulating layer change. As a writing method of the MRAM, writing (magnetization reversal) is performed by using a magnetic field generated by a current, or writing (magnetization reversal) is performed by using a spin transfer torque (STT) generated by flowing a current in a stacking direction of magnetoresistive elements. ) Is known. The magnetization reversal of the TMR element using the STT is efficient from the viewpoint of energy efficiency, but it is necessary to flow a current in the stacking direction of the magnetoresistive effect element when writing data. The write current may deteriorate the characteristics of the magnetoresistive effect element.
また、MRAMの高集積化が近年求められている。MRAMの高集積化のためには、TMR素子を小型化する必要がある。しかしながら、TMR素子を小型化すると、磁化の安定性が低下する。磁化の安定性が低下すると、熱等の影響を受けてデータが意図せずに書き換わることがある。MRAMにおいて、このような意図しないデータの書き換えは許されず、熱安定性は高いことが望ましい。 Further, high integration of MRAM has been recently demanded. For high integration of MRAM, it is necessary to downsize the TMR element. However, if the TMR element is downsized, the magnetization stability is reduced. If the magnetization stability decreases, the data may be unintentionally rewritten due to the influence of heat or the like. In the MRAM, such unintended rewriting of data is not allowed and it is desirable that the thermal stability is high.
一方、近年、STTとは異なったメカニズムで反転電流を低減する手段としてスピンホール効果により生成された純スピン流を利用した磁化反転方式にも注目が集まっている(例えば、非特許文献1)。SOT(スピン軌道トルク)は、スピン軌道相互作用によって生じたスピン流、異種材料の界面におけるラシュバ効果、結晶構造における反転対称性の崩れ等により誘起される。磁気抵抗効果素子内にSOTを誘起するための電流は、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流す。すなわち、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がなく、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。 On the other hand, in recent years, attention has also been paid to a magnetization reversal method using a pure spin current generated by the spin Hall effect as a means for reducing the reversal current by a mechanism different from STT (for example, Non-Patent Document 1). SOT (spin orbital torque) is induced by a spin current generated by spin orbital interaction, a Rashba effect at the interface of different materials, break of inversion symmetry in a crystal structure, and the like. A current for inducing SOT in the magnetoresistive effect element is passed in a direction intersecting the stacking direction of the magnetoresistive effect element. That is, it is not necessary to pass a current in the stacking direction of the magnetoresistive effect element, and it is expected that the magnetoresistive effect element has a long life.
非特許文献1によると、SOT方式による反転電流密度はSTT方式による反転電流密度と同程度であると報告されている。しかしながら、現在SOT方式で報告されている反転電流密度は、高集積化や低消費エネルギー化を実現するためには不十分であり、改善の余地がある。
According to Non-Patent
また、例えば、非特許文献2に記載されているように、SOT方式の磁気抵抗効果素子用の垂直磁化膜としては、強磁性層と非磁性層とを交互に積層した強磁性積層膜(例えば、[Co/Pt]n)や、二種の強磁性層を交互に積層した強磁性積層膜(例えば、[Co/Ni]n)も用いられる。このような強磁性積層膜は、STT方式の磁気抵抗効果素子においても用いられる。Further, for example, as described in
強磁性層と非磁性層とを交互に積層した強磁性積層膜は、高い磁気異方性を有するものの飽和磁化が低くなる。一方、二種の強磁性層を交互に積層した強磁性積層膜は、高い飽和磁化を有するものの磁気異方性が低くなる。高い熱安定性を示すためには、磁気異方性及び飽和磁化がどちらも高いことが望ましい。 A ferromagnetic laminated film in which ferromagnetic layers and non-magnetic layers are alternately laminated has high magnetic anisotropy but low saturation magnetization. On the other hand, a ferromagnetic laminated film in which two types of ferromagnetic layers are alternately laminated has high saturation magnetization but has low magnetic anisotropy. Both high magnetic anisotropy and high saturation magnetization are desirable in order to exhibit high thermal stability.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、反転電流密度を低減し、また熱安定性を向上させる新たな強磁性積層膜を提案することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to propose a new ferromagnetic laminated film that reduces the reversal current density and improves the thermal stability.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
(1)本発明の第一の態様に係る強磁性積層膜は、複数の第1磁性層と、少なくとも一つの第2磁性層と、少なくとも一つの第1非磁性層とを備え、前記第1磁性層が前記第2磁性層又は前記第1非磁性層と交互に積層されていて、前記第1磁性層を構成する材料が前記第2磁性層を構成する材料と異なり、前記第1磁性層と前記第1非磁性層と前記第2磁性層とは、前記第1磁性層と前記第1非磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせであり、かつ前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせである。 (1) A ferromagnetic laminated film according to a first aspect of the present invention includes a plurality of first magnetic layers, at least one second magnetic layer, and at least one first nonmagnetic layer, and Magnetic layers are alternately stacked with the second magnetic layers or the first non-magnetic layers, and the material forming the first magnetic layer is different from the material forming the second magnetic layer, and the first magnetic layer is different. And the first non-magnetic layer and the second magnetic layer are a material combination in which an interface magnetic anisotropy is generated between the first magnetic layer and the first non-magnetic layer, and the first magnetic layer It is a material combination that causes interfacial magnetic anisotropy between the layer and the second magnetic layer.
(2)上記態様に係る強磁性積層膜において、前記第1磁性層がCo及びFeのうち一方又は両方を含む強磁性材料で構成され、前記第2磁性層がNiを含む強磁性材料で構成され、前記第1非磁性層がTi、Zr、Hf、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt及びAuのうち少なくとも一種を含む非磁性材料で構成されてもよい。 (2) In the ferromagnetic laminated film according to the above aspect, the first magnetic layer is made of a ferromagnetic material containing one or both of Co and Fe, and the second magnetic layer is made of a ferromagnetic material containing Ni. The first non-magnetic layer may be made of a non-magnetic material containing at least one of Ti, Zr, Hf, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt and Au.
(3)上記態様に係る強磁性積層膜において、前記第1磁性層がCo及びFeのうち一方又は両方を含む強磁性材料で構成され、前記第2磁性層がNiを含む強磁性材料で構成され、前記第1非磁性層がV、Cr、Mo、Ta及びWのうち少なくとも一種を含む非磁性材料で構成されてもよい。 (3) In the ferromagnetic laminated film according to the above aspect, the first magnetic layer is made of a ferromagnetic material containing one or both of Co and Fe, and the second magnetic layer is made of a ferromagnetic material containing Ni. The first non-magnetic layer may be made of a non-magnetic material containing at least one of V, Cr, Mo, Ta and W.
(4)上記態様に係る強磁性積層膜において、前記第1磁性層が前記第2磁性層又は前記第1非磁性層と交互に積層された積層順が、前記強磁性積層膜の膜面面直の第1方向に対して非対称な積層順であってもよい。 (4) In the ferromagnetic laminated film according to the above aspect, the lamination order in which the first magnetic layers are alternately laminated with the second magnetic layers or the first non-magnetic layers is the film surface of the ferromagnetic laminated film. The stacking order may be asymmetric with respect to the immediate first direction.
(5)上記態様に係る強磁性積層膜は、前記第1磁性層と前記第2磁性層と前記第1磁性層と前記第1非磁性層と前記第1磁性層とが順に前記第1方向に積層された非対称な五層構造を少なくとも一つ備えてもよい。 (5) In the ferromagnetic laminated film according to the above aspect, the first magnetic layer, the second magnetic layer, the first magnetic layer, the first nonmagnetic layer, and the first magnetic layer are sequentially arranged in the first direction. At least one asymmetrical five-layered structure may be provided.
(6)上記態様に係る強磁性積層膜において、前記第1非磁性層のうち少なくとも一つが、前記複数の第1磁性層及び前記少なくとも一つの第2磁性層のいずれよりも厚くなってもよい。 (6) In the ferromagnetic laminated film according to the above aspect, at least one of the first non-magnetic layers may be thicker than both the plurality of first magnetic layers and the at least one second magnetic layer. ..
(7)本発明の第二の態様に係るスピン流磁化回転素子は、上記態様のいずれかに係る強磁性積層膜と、前記強磁性積層膜の膜面面直の第1方向に対して交差する第2方向に延在し、前記強磁性積層膜の前記第1方向に位置するスピン軌道トルク配線とを備える。 (7) A spin current magnetization rotating element according to a second aspect of the present invention intersects the ferromagnetic laminated film according to any one of the above aspects, with respect to a first direction perpendicular to the film surface of the ferromagnetic laminated film. And a spin orbit torque wiring extending in the second direction and located in the first direction of the ferromagnetic laminated film.
(8)本発明の第三の態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記態様に係るスピン流磁化回転素子と、磁化の向きが固定されている固定層と、前記強磁性積層膜と前記固定層との間に挟持された非磁性スペーサー層とを備える。 (8) A magnetoresistive effect element according to a third aspect of the present invention is a spin current magnetization rotation element according to the above aspect, a fixed layer in which the magnetization direction is fixed, the ferromagnetic laminated film and the fixed layer. And a non-magnetic spacer layer sandwiched therebetween.
(9)本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記態様のいずれかに係る強磁性積層膜を磁化方向が固定されている固定層として備え、自由層と、前記強磁性積層膜と前記自由層との間に挟持された非磁性スペーサー層とを更に備える。 (9) A magnetoresistive effect element according to another aspect of the present invention includes the ferromagnetic laminated film according to any one of the above aspects as a fixed layer having a fixed magnetization direction, and a free layer and the ferromagnetic laminated film. And a non-magnetic spacer layer sandwiched between the free layer and the free layer.
(10)上記(9)の態様に係る磁気抵抗効果素子は、前記強磁性積層膜と前記非磁性スペーサー層との間に反強磁性結合層及び界面強磁性金属層とを更に備えてもよい。 (10) The magnetoresistive effect element according to the aspect of (9) may further include an antiferromagnetic coupling layer and an interface ferromagnetic metal layer between the ferromagnetic laminated film and the nonmagnetic spacer layer. ..
(11)上記態様に係る磁気抵抗効果素子において、前記反強磁性結合層がRu、Rh又はIrを含んでもよい。
(12)上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記強磁性積層膜の磁化は垂直磁化であってもよい。
(13)上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記強磁性積層膜の磁化は膜積層方向に対して傾いていてもよい。(11) In the magnetoresistive effect element according to the above aspect, the antiferromagnetic coupling layer may include Ru, Rh, or Ir.
(12) In the magnetoresistive effect element according to the above aspect, the magnetization of the ferromagnetic laminated film may be perpendicular magnetization.
(13) In the magnetoresistive effect element according to the above aspect, the magnetization of the ferromagnetic laminated film may be inclined with respect to the film laminating direction.
(14)本発明の第四の態様に係る磁気メモリは、上記態様のいずれかに係る磁気抵抗効果素子を複数備える。 (14) A magnetic memory according to a fourth aspect of the present invention includes a plurality of magnetoresistive effect elements according to any of the above aspects.
本発明に係る強磁性積層膜によれば、反転電流密度を低減し、また熱安定性を向上させることができる。 According to the ferromagnetic laminated film of the present invention, the reversal current density can be reduced and the thermal stability can be improved.
以下、本発明の実施形態の好ましい例について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して概略的に示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その効果を奏する範囲で数や数値や量や比率や特性などについて適宜変更して実施することが可能である。本発明の実施形態にかかる素子において、本発明の効果を奏する範囲で他の層を備えてもよい。 Hereinafter, preferable examples of the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings used in the following description, in order to make the features of the embodiments of the present invention easier to understand, there are cases in which the characteristic portions are enlarged and schematically illustrated for convenience. Can be different. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and the numbers, numerical values, amounts, ratios, characteristics, etc. may be changed as appropriate within the range where the effect is exerted. It is possible to carry out. The device according to the embodiment of the present invention may be provided with another layer within a range in which the effect of the present invention is exhibited.
(強磁性積層膜)
図1に、本発明の一実施形態に係る強磁性積層膜の断面構造の一例の模式図を示す。以下の説明では、便宜的に、強磁性積層膜の膜面の面直方向もしくは積層方向を第1方向(z方向、厚さ方向)として、第1方向と垂直で強磁性積層膜の長手方向に沿った方向を第2方向(x方向、長さ方向)として、第1方向及び第2方向のいずれとも直交する方向を第3方向(y方向、幅方向)とする。(Ferromagnetic laminated film)
FIG. 1 shows a schematic view of an example of a cross-sectional structure of a ferromagnetic laminated film according to an embodiment of the present invention. In the following description, for convenience, the perpendicular direction of the film surface of the ferromagnetic laminated film or the laminating direction is defined as the first direction (z direction, thickness direction), and the longitudinal direction of the ferromagnetic laminated film is perpendicular to the first direction. A direction along the is defined as a second direction (x direction, length direction), and a direction orthogonal to both the first direction and the second direction is defined as a third direction (y direction, width direction).
図1に示す強磁性積層膜10は、複数の第1磁性層1と、少なくとも一つの第2磁性層2と、少なくとも一つの第1非磁性層3とを備え、第1磁性層1が第2磁性層2又は第1非磁性層3と交互に積層されている。
The ferromagnetic
<第1磁性層>
第1磁性層1は強磁性材料で構成される。第1磁性層1を構成する強磁性材料は公知の材料が使用可能である。例えば、常温での単体結晶構造が六方最密充填(hcp)構造や面心立方格子(fcc)を示すコバルト(Co)等の金属や、常温での単体結晶構造が体心立方格子(bcc)構造を示す鉄(Fe)等の金属が第1磁性層1を構成する材料として挙げられる。これら金属を上記結晶構造を示すように単体で用いてもよく、これら金属を一種以上含み強磁性を示す合金(例えば、Co‐Fe合金)や化合物として用いてもよい。<First magnetic layer>
The first
<第2磁性層>
第2磁性層2は、第1磁性層1を構成する強磁性材料とは異なる強磁性材料で構成される。第2磁性層2を構成する強磁性材料も公知の材料が使用可能である。例えば、常温での単体結晶構造が面心立方格子(fcc)構造を示すニッケル(Ni)や、常温での単体結晶構造が六方最密充慎(hcp)構造のガドリニウム(Gd)等の金属が第2磁性層2を構成する材料として挙げられる。これら金属を上記結晶構造を示すように単体で用いてもよく、これら金属を一種以上含み強磁性を示す合金や化合物として用いてもよい。特に、第2磁性層2を構成する強磁性材料は、第2磁性層2が第1磁性層1と接触して界面を形成する際に界面磁気異方性が発生するように選択される。特に、第2磁性層2を構成する強磁性材料は、強磁性積層膜10の面直方向に沿った垂直磁気異方性を付与するように選択されることが好ましい。これらに限定されるものではないが例えば、第1磁性層1/第2磁性層2の組み合わせをCo/Ni、Fe/Ni、Co/Gd、Ni/Co、Ni/Fe等とすることができ、好ましくはCo/Ni、Fe/Ni、Co/Gdとすることが効果的であり、より好ましくはCo/Niである。<Second magnetic layer>
The second
<第1非磁性層>
第1非磁性層3は、非磁性材料で構成される。特に、第1非磁性層3を構成する非磁性材料は、第1非磁性層3が第1磁性層1と接触して界面を形成する際に界面磁気異方性が発生するように選択される。特に、第1非磁性層3を構成する非磁性材料は、強磁性積層膜10の面直方向に沿った垂直磁気異方性を付与するように選択される。そのような第1非磁性層3を構成する非磁性材料も、公知の材料が使用可能である。第1非磁性層3を構成する非磁性材料は、常温での単体結晶構造がhcp構造を示す金属や、常温での単体結晶構造がfcc構造を示す金属や、常温での単体結晶構造がbcc構造を示す金属等が挙げられる。常温での単体結晶構造がhcp構造を示す金属は、例えば、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、ルテニウム(Ru)等であり、常温での単体結晶構造がfcc構造を示す金属は、例えば、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)等であり、常温での単結晶構造がbcc構造を示す金属は、例えば、バナジウム(V)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、タングステン(W)等である。これら金属を、上記結晶構造を示すように単体で用いてもよく、これら金属を一種以上含む非磁性の合金や化合物として用いてもよい。<First non-magnetic layer>
The first
強磁性積層膜10を構成する第1磁性層1、第2磁性層2及び第1非磁性層3が全てfcc構造又はhcp構造を示す金属を含むように統一されている場合(任意に選択できるが例えば、Co/Ni/Co/Pt/Coや、Co/Ni/Co/Pd/Co)、強磁性積層膜10中の結晶の整合性がとれており、反転電流密度の低減及び熱安定性の向上について高い効果が得られる。一方、強磁性積層膜10にbcc構造を示す金属が含まれる場合(例えば、第1非磁性層3がbcc構造を示すWを含む場合)、結晶相においてbcc構造を示すCo‐Fe‐B/MgO/Co‐Fe‐B等と組み合わせて、強磁性積層膜10を使用する際に、結晶の整合性がとりやすくなり、加熱による垂直磁気異方性の低減を抑えることができる。
When the first
第1磁性層1、第2磁性層2、第1非磁性層3の厚みは特に限定されず、例えば、それぞれ0.2〜3.0nmの厚さを有し得る。また、複数存在する第1磁性層1が全て同じ厚さを有さなくてもよい。この点は、第2磁性層2又は第1非磁性層3が複数存在する場合も同様である。すなわち、複数存在する第2磁性層2や、第1非磁性層3が全て同じ厚さを有さなくてもよい。一実施形態によると、第1非磁性層3のうち少なくとも一つが、複数の第1磁性層及び少なくとも一つの第2磁性層のいずれよりも厚くなり得る。この構成の利点については、以下のスピン流磁化反転素子に関して更に詳細に説明する。
The thicknesses of the first
図1に示す強磁性積層膜10では、第1方向(z方向)に沿って上から順に、第1磁性層1/第2磁性層2/第1磁性層1/第1非磁性層3/第1磁性層1の五層構造(三層の第1磁性層1、一層の第2磁性層、一層の第1非磁性層)の積層順ある。図1に示す強磁性積層膜10では、第1磁性層1が第2磁性層2又は第1非磁性層3のいずれかと交互に積層されている。そのような積層例として、Co/Ni/Co/Pt(又はPd)/Coが挙げられる。
In the ferromagnetic
図1に示される例では、第1磁性層1及び第1非磁性層3が接合した界面部分が高い磁気異方性を示す。一方、第1磁性層1及び第2磁性層2が接合した界面部分は高い飽和磁化を示す。従って、強磁性積層膜10全体としては高い磁気異方性と高い飽和磁化とを兼ね備え、熱安定性を向上させることができる。
In the example shown in FIG. 1, the interface portion where the first
また、図1に示される例では、第1磁性層1が第2磁性層2又は第1非磁性層3と交互に積層された積層順は、強磁性積層膜の膜面面直の第1方向(z方向)に対して非対称である。即ち、第1非磁性層3から見て、第1方向(z方向)に沿った上構造部分(第1非磁性層3から見て順に第1磁性層1/第2磁性層2/第1磁性層1)と下構造部分(第1磁性層)とが非対称である。また、中心の第1磁性層1から見た場合においても、上構造部分(中心の第1磁性層1から見て順に第2磁性層/第1磁性層1)と下構造部分(中心の第1磁性層1から見て順に第1非磁性層3/第1磁性層1)とが非対称である。このような非対称な構造を有する強磁性積層膜10は、以下で詳細に説明するように、SOT方式でのスピン流磁化回転素子において用いる場合に有用な構造となり得て、反転電流密度を下げることができる。
Further, in the example shown in FIG. 1, the stacking order in which the first
本実施形態に係る強磁性積層膜は、図1に示されるような五層構造や、非対称な構造に限定されるものではない。本実施形態に係る強磁性積層膜は、所望の応用や特性に応じて、第1磁性層1が第2磁性層2又は第1非磁性層3のいずれかと交互に積層されている他の構造も有し得る。例えば、図2は本実施形態に係る強磁性積層膜11の断面構造の他の例を示す模式図である。図2に示す強磁性積層膜11は、第1方向(z方向)に沿って上から順に、第1磁性層1/第1非磁性層3/第1磁性層1/第1非磁性層3/第1磁性層1/第2磁性層2/第1磁性層1の七層構造(任意に選択できるが例えば、Co/Pt/Co/Pt/Co/Ni/Co)を有する。この強磁性積層膜11は、図1の強磁性積層膜10と同様に、中心の第1非磁性層3からみて、上構造部分と下構造部分とが非対称である。
The ferromagnetic laminated film according to this embodiment is not limited to the five-layer structure as shown in FIG. 1 or an asymmetric structure. The ferromagnetic laminated film according to the present embodiment has another structure in which the first
図3は、本実施形態に係る九層構造の強磁性積層膜12の断面構造の他の例を示す模式図である。図3に示す強磁性積層膜12では、第1方向(z方向)に沿って上から順に、第1磁性層1/第2磁性層2/第1磁性層1/第2磁性層2/第1磁性層1/第1非磁性層3/第1磁性層1/第2磁性層2/第1磁性層1の積層順(任意に選択できるが例えば、Co/Ni/Co/Ni/Co/Pt/Co/Ni/Co)となっている。図3に示す強磁性積層膜12でも、一層のみ含まれる第1非磁性層3からみて、又は中心の第1磁性層1からみても、上構造部分と下構造部分とが非対称である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing another example of the cross-sectional structure of the ferromagnetic
図4は、本実施形態に係る九層構造の強磁性積層膜13の断面構造の他の例を示す模式図である。図4の強磁性積層膜13では、第1方向(z方向)に沿って上から順に、第1磁性層1/第2磁性層2/第1磁性層1/第1非磁性層3/第1磁性層1/第2磁性層2/第1磁性層1/第1非磁性層3/第1磁性層1の積層順(任意に選択できるが、例えば、Co/[Ni/Co/Pt/Co]2)の積層順となっている。このような積層構造は、[Ni/Co/Pt/Co]を繰り返し単位として有すものとみなされ、九層よりも多層のCo/[Ni/Co/Pt/Co]nに拡張可能である(nは2よりも大きな繰り返し数)。FIG. 4 is a schematic diagram showing another example of the cross-sectional structure of the nine-layered ferromagnetic
図5は、更に本実施形態に係る九層構造の強磁性積層膜14の断面構造の他の例を示す模式図である。図5の強磁性積層膜では、第1方向(z方向)に沿って上から順に、第1磁性層1/第1非磁性層3/第1磁性層1/第1非磁性層3/第1磁性層1/第2磁性層2/第1磁性層1/第1非磁性層3/第1磁性層1の積層順(任意に選択できるが、例えば、Co/Pt/Co/Pt/Co/Ni/Co/Pt/Co)となっている。このように第2磁性層2を一層のみ有する構造においても、第1磁性層1及び第2磁性層2が接合した界面部分が高い飽和磁化を示すと共に、第1磁性層1及び第1非磁性層3が接合した界面部分が高い磁気異方性を示し、熱安定性を向上させることができる。
FIG. 5 is a schematic view showing another example of the cross-sectional structure of the nine-layered ferromagnetic
[変形例]
また、本実施形態にかかる強磁性積層膜の変形例は、複数の第1磁性層1が全て同じ材料から構成されなくてもよい。つまり、一つ又はいくつかの第1磁性層1を構成する材料が、他の第1磁性層1を構成する材料と異なってもよい。言い換えると、複数の第1磁性層1のうち一つ又はいくつかを、他の第1磁性層1を構成する材料と異なる材料を用いてもよい。ここで、他の第1磁性層1を構成する材料と異なる材料で構成した一つ又はいくつかの層を第3磁性層4とすると、材料は上述の材料から任意に選択できるが例えば、第1磁性層1にCoを用いて、第3磁性層4にFeを用いたり、第1磁性層1にFeを用いて第3磁性層4にCoを用いてもよい。図6及び図7は、本実施形態にかかる強磁性積層膜の変形例の一例を示す模式図である。図6に示す強磁性積層膜15は、第1方向(z方向)に沿って上から順に、第1磁性層1/第2磁性層2/第3磁性層4/第1非磁性層3/第1磁性層1の五層構造(任意に選択できるが例えば、Co/Ni/Fe/Pt(又はPd)/Co)を有する。図7に示す強磁性積層膜16は、第1方向(z方向)に沿って上から順に、第3磁性層4/第2磁性層2/第1磁性層1/第1非磁性層3/第1磁性層1の五層構造(任意に選択できるが例えば、Fe/Ni/Co/Pt/Co)を有する。[Modification]
Further, in the modified example of the ferromagnetic laminated film according to the present embodiment, the plurality of first
同様に、第2磁性層2や第1非磁性層3が複数存在する場合、複数の第2磁性層2が全て同じ材料で構成されなくてもよく、また、複数の第1非磁性層3が全て同じ材料で構成されなくともよい。例えば、複数の第2磁性層2のうち、一つ又はいくつかの層に対して他の第2磁性層2を構成する材料と異なる材料を用いてもよい。また、複数の第1非磁性層3のうち、一つ又はいくつかの層に対して他の第1非磁性層を構成する材料を変更してもよい。
Similarly, when there are a plurality of second
強磁性積層膜は、例えば、スピン流磁化回転素子に用いられる。具体的には、スピン流磁化回転素子を備える磁気抵抗効果素子において自由層として用いられ得る。強磁性積層膜を自由層として用いる場合には、磁気抵抗効果を増大させるために、強磁性積層膜と非磁性スペーサー層との間にCo‐Fe‐B合金等の追加の強磁性金属膜を挿入してもよい。さらに、強磁性積層膜と追加の強磁性金属膜の結晶成長を切断する非磁性挿入層を、上記強磁性積層膜と上記追加の強磁性金属膜の間に挿入してもよい。また、より広く、上記強磁性積層膜は、SOT方式やSTT方式等の磁気抵抗効果素子一般における固定層としても用いられ得る。以下、これら本実施形態に係る強磁性積層膜を用いる素子の実施形態について説明する。 The ferromagnetic laminated film is used, for example, in a spin current magnetization rotation element. Specifically, it can be used as a free layer in a magnetoresistive effect element including a spin current magnetization rotation element. When the ferromagnetic laminated film is used as a free layer, an additional ferromagnetic metal film such as a Co-Fe-B alloy is provided between the ferromagnetic laminated film and the nonmagnetic spacer layer in order to increase the magnetoresistive effect. May be inserted. Furthermore, a nonmagnetic insertion layer that cuts the crystal growth of the ferromagnetic laminated film and the additional ferromagnetic metal film may be inserted between the ferromagnetic laminated film and the additional ferromagnetic metal film. Further, more broadly, the ferromagnetic laminated film can be used also as a fixed layer in a general magnetoresistive effect element such as an SOT method or an STT method. Hereinafter, embodiments of the element using the ferromagnetic laminated film according to the present embodiment will be described.
(スピン流磁化回転素子)
図8に、本発明の一実施形態に係るスピン流磁化回転素子の一例の概略模式図を示す。図8Aは平面図であり、図8Bは図8Aのスピン軌道トルク配線120の幅方向の中心線であるX−X線で切った断面図である。(Spin current magnetization rotating element)
FIG. 8 shows a schematic diagram of an example of the spin current magnetization rotation element according to the embodiment of the present invention. 8A is a plan view, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line XX which is the center line in the width direction of the spin
図8に示すスピン流磁化回転素子100は、磁化方向が変化する強磁性積層膜110と、強磁性積層膜110の面直方向である第1方向(z方向)に対して交差する第2の方向(x方向)に延在し、強磁性積層膜110の第1方向に位置するスピン軌道トルク配線120とを備える。尚、図8においては、強磁性積層膜110がスピン軌道トルク配線120と接合して示されているが、強磁性積層膜110とスピン軌道トルク配線120との間に他の層等が含まれてもよい。更に、図8Bにおいては、強磁性積層膜110の磁化を回転させる際にスピン軌道トルク配線120に通電するための電源130も示している。
The spin current
本実施形態のスピン流磁化回転素子100すなわち、スピン流によるSOT効果で強磁性体の磁化回転を行う素子は、スピン流によるSOTのみで強磁性体の磁化反転を行う磁気抵抗効果素子において用いることができる。本明細書においてスピン流によるSOT効果で強磁性体の磁化回転を行う素子を、特にスピン流磁化反転素子と言う。一方、本実施形態のスピン流磁化回転素子は、従来のSTTを利用する磁気抵抗効果素子において強磁性体の磁化反転のアシスト手段あるいは主力手段として用いることもできる。
The spin current
<強磁性積層膜>
強磁性積層膜110は、上記本発明に係る強磁性積層膜、例えば図1〜図7に示される強磁性積層膜10〜16のいずれかであり、好ましくは、図1〜図3に示される強磁性積層膜10〜12のような非対称な強磁性積層膜である。<Ferromagnetic layered film>
The ferromagnetic
<スピン軌道トルク配線>
スピン軌道トルク配線120は、電流が流れるとスピンホール効果によってスピン流を生成し、スピン軌道トルクを誘起するような材料で構成される。言い換えると、スピン軌道トルク配線120の材料は、スピン軌道トルク配線120中にスピン流が生成される構成のものであればよい。従って、スピン軌道トルク配線120の材料は、単体の元素からなる材料に限らないし、スピン流が生成される材料で構成される部分とスピン流が生成されない材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。<Spin orbit torque wiring>
The spin
スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。 The spin Hall effect is a phenomenon in which a pure spin current is induced in a direction orthogonal to the direction of the current based on the spin-orbit interaction when a current is applied to the material.
図9は、スピンホール効果について説明するための模式図である。図9は、図8Aおよび図8Bにおけるスピン軌道トルク配線120をx方向に沿って切断した断面図である。図9に基づいてスピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムを説明する。
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the spin Hall effect. FIG. 9 is a cross-sectional view of the spin
図9に示すように、スピン軌道トルク配線120の延在方向に電流Iを流すと、紙面手前側に配向した第1スピンS1と紙面奥側に配向した第2スピンS2はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは運動(移動)する電荷(電子)が運動(移動)方向を曲げられる点で共通するが、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しないのに電子が移動するだけ(電流が流れるだけ)で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。
As shown in FIG. 9, when the current I is passed in the extending direction of the spin
非磁性体(強磁性体ではない材料)では第1スピンS1の電子数と第2スピンS2の電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう第1スピンS1の電子数と下方向に向かう第2スピンS2の電子数が等しい。そのため、電荷の正味の流れとしての電流はゼロである。この電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。 In a non-magnetic material (a material that is not a ferromagnetic material), the number of electrons in the first spin S1 is equal to the number of electrons in the second spin S2. The number of electrons of the second spin S2 to go is equal. Therefore, the current as a net flow of charge is zero. The spin current without this current is particularly called a pure spin current.
強磁性体中に電流を流した場合は、第1スピンS1と第2スピンS2が互いに反対方向に曲げられる点は同じである。一方で、強磁性体中では第1スピンS1と第2スピンS2のいずれかが多い状態である。そのため、強磁性体中に電流を流した場合は、結果として電荷の正味の流れが生じてしまい(電圧が発生してしまう)、非磁性体中に電流を流した場合と異なる。従って、スピン軌道トルク配線120の材料としては、非磁性体が好ましい。
When an electric current is passed through the ferromagnetic material, the first spin S1 and the second spin S2 are bent in the opposite directions. On the other hand, in the ferromagnetic material, either the first spin S1 or the second spin S2 is large. Therefore, when an electric current is passed through the ferromagnetic material, a net flow of electric charges is generated as a result (a voltage is generated), which is different from when an electric current is passed through the non-magnetic material. Therefore, the material of the spin
スピン軌道トルク配線120の非磁性体は、非磁性の重金属を含んでもよい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属の意味で用いる。スピン軌道トルク配線120は、非磁性の重金属だけで構成されてもよい。
The non-magnetic material of the spin
この場合、非磁性の重金属は最外殻にd電子又はf電子を有する、原子番号39以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。最外殻にd電子又はf電子を有する、原子番号39以上の原子番号が大きい非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きいからである。スピン軌道トルク配線120は、最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号39以上の原子番号が大きい非磁性金属だけで構成されてもよい。そのような非磁性金属として、例えば、Mo、Ru、Rh、Pd、Ta,W、Ir、Pt、Au、及びBi等が挙げられる。
In this case, the nonmagnetic heavy metal is preferably a nonmagnetic metal having an atomic number of 39 or more and a large atomic number having d or f electrons in the outermost shell. This is because a non-magnetic metal having an atomic number of 39 or more and a large atomic number having d electrons or f electrons in the outermost shell has a large spin-orbit interaction that causes the spin Hall effect. The spin
通常、金属に電流を流すとすべての電子はそのスピンの向きにかかわりなく、電流とは逆向きに動く。これに対して、最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きいためにスピンホール効果によって電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存し、純スピン流Jsが発生しやすい。 Normally, when an electric current is passed through a metal, all electrons move in the opposite direction of the electric current, regardless of the spin direction. On the other hand, a non-magnetic metal having a large atomic number having d-electrons or f-electrons in the outermost shell has a large spin-orbit interaction, and therefore, the direction in which electrons move due to the spin Hall effect depends on the direction of electron spin. Pure spin current Js is likely to occur.
ここで、第1スピンS1の電子の流れをJ↑、第2スピンS2の電子の流れをJ↓、スピン流をJSと表すと、JS=J↑−J↓で定義される。図2においては、純スピン流としてJSが図中の上方向に流れる。ここで、JSは分極率が100%の電子の流れである。Here, when the electron flow of the first spin S1 is J ↑ , the electron flow of the second spin S2 is J ↓ , and the spin current is JS , JS =J ↑ −J ↓ . In FIG. 2, J S flows as a pure spin current in the upward direction in the figure. Here, J S is a flow of electrons having a polarizability of 100%.
本実施形態のスピン流磁化回転素子100では、このようにスピン軌道トルク配線120に電流を流してスピン流を生成し、そのスピン流がスピン軌道トルク配線120に接する強磁性積層膜110に拡散する構成とすることで、そのスピン流によるスピン軌道トルク(SOT)効果によって強磁性積層膜110の磁化回転を起こす。SOT効果が十分に大きければ、強磁性積層膜110の磁化は反転される。強磁性積層膜110の磁化が反転する本実施形態のスピン流磁化回転素子を、特にスピン流磁化反転素子と呼ぶことができる。
In the spin current
更に、本実施形態のスピン流磁化回転素子100では、強磁性積層膜110中においてもSOTを誘起することができる。即ち、スピン軌道トルク配線120に電流を流す際には、スピン軌道トルク配線120に接合している強磁性積層膜110にも電流が流れ込む。強磁性積層膜110は、少なくとも一つの第1非磁性層3を備えるものであり、その第1非磁性層3はPt、Pd、Ag、Mo等のスピン軌道相互作用の強い重金属を含み得る。従って、第1非磁性層3中にはスピン流が発生する。また、強磁性積層膜110は、例として図1〜3に示されるような非対称な構造を有し得る。第1非磁性層3中に生じたスピン流が、非対称な構造中に拡散すると、磁化回転を起こす追加的なスピン軌道トルク効果が生じる。従って、本実施形態のスピン流磁化回転素子100では、スピン軌道トルク配線120のみにおいてスピン軌道トルク効果を生じさせる場合よりも更に反転電流を低減し得る。
Further, in the spin current
一実施形態においては、上述のように、強磁性積層膜110に含まれる第1非磁性層3のうち少なくとも一つが、複数の第1磁性層1及び少なくとも一つの第2磁性層2のいずれよりも厚くなり得る。このような構成では、電流が強磁性積層膜110中に流れ込む際に第1非磁性層3中を最も流れることになり、また、厚い第1非磁性層3内に含まれる重金属の量の増大によって、スピン流を効率的に生成することができる。
In one embodiment, as described above, at least one of the first
本実施形態のスピン流磁化回転素子は後述するように磁気抵抗効果素子に適用することができる。しかしながら、用途としては磁気抵抗効果素子に限られず、他の用途にも適用できる。他の用途としては、これに限られるものではないが例えば、スピン流磁化回転素子を各画素に配設して、磁気光学効果を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器においても用いることができるし、磁気センサにおいて磁石の保磁力によるヒステリシスの効果を避けるために磁石の磁化容易軸に印可する磁場をSOTに置き換えてもよい。 The spin current magnetization rotation element of this embodiment can be applied to a magnetoresistive effect element as described later. However, the application is not limited to the magnetoresistive effect element, and can be applied to other applications. Other applications include, but are not limited to, a spatial light modulator that spatially modulates incident light by using a magneto-optical effect by disposing a spin current magnetization rotation element in each pixel. The magnetic field applied to the easy axis of magnetization of the magnet may be replaced with SOT in order to avoid the effect of hysteresis due to the coercive force of the magnet in the magnetic sensor.
(磁気抵抗効果素子)
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、本実施形態のスピン流磁化回転素子100を備えるものである。(Magnetoresistive effect element)
A magnetoresistive effect element according to an embodiment of the present invention includes the spin current
図10は、本実施形態のスピン流磁化回転素子100を備える一実施形態に係る磁気抵抗効果素子200の断面構造を概略的に示す。
FIG. 10 schematically shows a cross-sectional structure of a
図10に示される磁気抵抗効果素子200は、本実施形態のスピン流磁化回転素子100と、磁化方向が固定された固定層230と、強磁性積層膜110と固定層230との間に挟持された非磁性スペーサー層240とを有する。ここで、スピン流磁化回転素子は、強磁性積層膜110及びスピン軌道トルク配線120を有するので、図10に示す磁気抵抗効果素子200は、後述する磁気抵抗効果素子部205とスピン軌道トルク配線120とを有すると言い換えることもできる。
The
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子200は、スピン軌道トルク配線120を備えることで、スピン流によるSOTのみで磁気抵抗効果素子の磁化反転を行う構成とすることもできるし、従来のSTTを利用する磁気抵抗効果素子においてスピン流によるSOTを併用する構成とすることもできる。
The
図10においては、磁気抵抗効果素子200の積層方向に電流を流すための配線250と、磁気抵抗効果素子200を作製するための基板260も示している。
In FIG. 10, a
<磁気抵抗効果素子部>
磁気抵抗効果素子部205は、磁化方向が変化する自由層(フリー層、記憶層、記録層等とも呼ばれる)として用いられる本実施形態の強磁性積層膜110と、磁化方向が固定された固定層230(ピン層、ピンド層等とも呼ばれる)と、強磁性積層膜110と固定層と230の間に挟持された非磁性スペーサー層240とを有する。<Magnetoresistive element part>
The magnetoresistive
磁気抵抗効果素子部205では、固定層230の磁化が一方向に固定され、強磁性積層膜110の磁化の向きが相対的に変化する。保磁力差型(擬似スピンバルブ型;Pseudo spin valve 型)のMRAMに適用する場合には、固定層230の保磁力は自由層(強磁性積層膜110)の保磁力よりも大きいものである。交換バイアス型(スピンバルブ;spin valve型)のMRAMに適用する場合には、固定層230は追加の反強磁性層との交換結合によって磁化方向が固定される。
In the magnetoresistive
また、非磁性スペーサー層240が絶縁体からなる場合、磁気抵抗効果素子部205はトンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magnetoresistance)素子である。非磁性スペーサー層240が金属からなる場合、巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magnetoresistance)素子である。
When the
本実施形態が備える磁気抵抗効果素子部205としては、公知の磁気抵抗効果素子部の構成を用いることができる。磁気抵抗効果素子部205は、この例に限定されるものではないが例えば、強磁性積層膜110以外の各層も複数の層からなるものでもよいし、固定層230の磁化方向を固定するための反強磁性層等の他の層を備えてもよい。
As the magnetoresistive
自由層としての強磁性積層膜110は膜面に垂直な磁化を有する垂直磁化膜であることが好ましい。そのため、固定層230は、磁化の方向が層に対して垂直な方向の垂直磁化膜として構成されることが好ましい。
また、強磁性積層膜110の磁化は、膜積層方向に対して傾いていても効果的である。自由層として用いられる強磁性積層膜110の磁化の向きが傾いていると、SOT、STTとして用いられたとき、磁化反転電流値を低くすることができる。すなわち、磁化反転をするために必要な電流を低減できる。また、SOTとして用いられたときであっても、強磁性積層膜110の磁化の向きが傾いていると、無磁場での磁化反転が可能となる。The ferromagnetic
Further, the magnetization of the ferromagnetic
固定層230の材料には、公知のものを用いることができる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属及びこれらの金属を1種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、B、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Co‐FeやCo‐Fe‐B等が固定層230の材料として挙げられる。
A known material can be used as the material of the fixed
また、固定層230の材料として、より高い出力を得るためにCo2FeSiなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、X,Y,Zをそれぞれ以下とし場合に、XYZまたはX2YZの化学組成をもつ金属間化合物を含む合金である。ここで、Xは、周期表上でCo、Fe、Ni、あるいはCu族の遷移金属元素又は貴金属元素である。Yは、Mn、V、CrあるいはTi族の遷移金属でありXの元素種をとることもできる。Zは、III族からV族の典型元素である。すなわち、これらに限定されるものではないが、ホイスラー合金の例としてはCo2FeSi、Co2MnSiやCo2Mn1−aFeaAlbSi1−bなどが挙げられる。Further, as the material of the fixed
また、固定層230の強磁性積層膜110に対する保磁力をより大きくするために、非磁性スペーサー層240に接する面の反対側の面において固定層230と接する層(ピニング層)として、IrMn,PtMnなどの反強磁性材料の層を用いてもよい。さらに、固定層230の漏れ磁場を強磁性積層膜110に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
In order to increase the coercive force of the fixed
非磁性スペーサー層240には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性スペーサー層240が絶縁体からなる場合(つまり、トンネルバリア層である場合)、その材料としては、Al2O3、SiO2、MgO、及び、MgAl2O4等を用いることができる。またこれらの他にも、Al,Si,Mgの一部が、Zn、Be等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAl2O4はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。また、非磁性スペーサー層240が金属からなる場合、その材料としては、Cu、Au、Ag等を用いることができる。A known material can be used for the
また、磁気抵抗効果素子部205は、その他の層をさらに有していてもよい。これらに限定されるものではないが例えば、強磁性積層膜110の非磁性スペーサー層240と反対側の面に下地層をさらに有していてもよい。また、固定層230の非磁性スペーサー層240と反対側の面にキャップ層をさらに有していてもよい。
Moreover, the magnetoresistive
<配線>
配線250は、固定層230に電気的に接続される。例えば、図10においては、配線250とスピン軌道トルク配線120と電源(図示略)とで閉回路を構成し、磁気抵抗効果素子部205の積層方向に電流が流される。<Wiring>
The
配線250は、導電性の高い材料であれば特に問わない。これらに限定されるものではないが、配線250は、例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
The
<基板>
基板260は、平坦性に優れることが好ましい。すなわち、その他の条件が同じであれば、凹凸の大きなものよりも小さなものの方が好ましい。基板260は、平坦性に優れた表面を得るために、材料として例えば、Si、AlTiC等を用いることができる。<Substrate>
The
磁気抵抗効果素子部205のスピン軌道トルク配線120側の面には、下地層(図示略)が形成されていてもよい。下地層を設けると、基板260上に積層される各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を制御することができる。
An underlayer (not shown) may be formed on the surface of the magnetoresistive
下地層には、種々のものを用いることができる。例えば1つの例として、下地層には(001)配向したNaCl構造を有し、Ti、Zr、Nb、V、Hf、Ta、Mo、W、B、Al、Ceの群から選択される少なくとも1つの元素を含む窒化物の層を用いることができる。 Various materials can be used for the underlayer. For example, as one example, the underlayer has a (001)-oriented NaCl structure, and at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, V, Hf, Ta, Mo, W, B, Al, and Ce. A nitride layer containing one element can be used.
他の例として、下地層にはXYO3の組成式で表される(002)配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層を用いることができる。ここで、サイトXはSr、Ce、Dy、La、K、Ca、Na、Pb、Baの群から選択された少なくとも1つの元素を含み、サイトYはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pbの群から選択された少なくとも1つの元素を含む。As another example, a layer of a (002)-oriented perovskite-based conductive oxide represented by a composition formula of XYO 3 can be used as the underlayer. Here, the site X contains at least one element selected from the group of Sr, Ce, Dy, La, K, Ca, Na, Pb, Ba, and the site Y contains Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co. , Ni, Ga, Nb, Mo, Ru, Ir, Ta, Ce, Pb, and at least one element selected from the group.
他の例として、下地層には(001)配向したNaCl構造を有し、かつMg、Al、Ceの群から選択される少なくとも1つの元素を含む酸化物の層を用いることができる。 As another example, an oxide layer having a (001)-oriented NaCl structure and containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, and Ce can be used as the underlayer.
他の例として、下地層には(001)配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつAl、Cr、Fe、Co、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、Wの群から選択される少なくとも1つの元素を含む層を用いることができる。 As another example, the underlayer has a (001)-oriented tetragonal structure or a cubic structure, and includes Al, Cr, Fe, Co, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Au, Mo, and W. A layer containing at least one element selected from the group can be used.
また、下地層は一層に限られず、上述の例の層を複数層積層してもよい。下地層の構成を工夫することで各層の結晶性を高め、磁気特性を改善することができる。 Further, the base layer is not limited to one layer, and a plurality of layers of the above examples may be laminated. By devising the structure of the underlayer, the crystallinity of each layer can be increased and the magnetic characteristics can be improved.
また、上述のように、磁気抵抗効果を増大させるために、上記強磁性積層膜110と非磁性スペーサー層240との間にCo‐Fe‐B合金等の追加の強磁性金属膜を挿入してもよい。さらに、上記強磁性積層膜110と上記追加の強磁性金属膜の結晶成長を切断する非磁性挿入層を、上記強磁性積層膜110と上記追加の強磁性金属膜との間に挿入してもよい。磁気抵抗効果素子部205の構成は、これらに限定されるものではないが例えば配線250に近い側から順に、強磁性積層膜110/非磁性挿入層/追加の強磁性金属膜/非磁性スペーサー層240/固定層230となる。
In addition, as described above, in order to increase the magnetoresistive effect, an additional ferromagnetic metal film such as a Co—Fe—B alloy is inserted between the ferromagnetic
図に示した磁気抵抗効果素子は、基板260から遠い側(図面上部)に固定層230が位置するいわゆるトップピン構造として示されているが、磁気抵抗効果素子の構造は特に限定されるものではなく、基板に近い側(図面下部)に固定層が位置するボトムピン構造であってもよい。
The magnetoresistive effect element shown in the figure is shown as a so-called top pin structure in which the fixed
(他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子)
上記スピン流磁化回転素子を備える磁気抵抗効果素子においては、本実施形態の強磁性積層膜を自由層として用いた。しかしながら、本実施形態に係る強磁性積層膜は、磁気抵抗効果素子における固定層としても使用可能である。尚、本実施形態の強磁性積層膜を固定層として用いる磁気抵抗効果素子としては、従来のSTT方式のみによると考えられる。一方、上記図10に示す本実施形態の強磁性積層膜を自由層として用いた場合の磁気抵抗効果素子200は、SOT方式のみ又はSTT方式とSOT方式を併用する方式のいずれも可能である。(Magnetoresistive effect element according to another embodiment)
In the magnetoresistive effect element including the spin current magnetization rotation element, the ferromagnetic laminated film of this embodiment is used as the free layer. However, the ferromagnetic laminated film according to the present embodiment can also be used as the fixed layer in the magnetoresistive effect element. The magnetoresistive effect element using the ferromagnetic laminated film of the present embodiment as the fixed layer is considered to be based on only the conventional STT method. On the other hand, the
図11は、そのような本実施形態の強磁性積層膜を固定層として用いる場合の磁気抵抗効果素子300の断面構造の一例を概略的に示す模式図を示す。図11は、固定層が図面下部に位置するボトムピン構造として示されるが、固定層が図面上部に位置するトップピン構造であってもよい。
FIG. 11 is a schematic view schematically showing an example of a cross-sectional structure of the
磁気抵抗効果素子300は、本実施形態では、磁化方向が固定された固定層として用いられる強磁性積層膜310と、磁化方向が変化する自由層320と、強磁性積層膜と固定層との間に挟持された非磁性スペーサー層330とを有する。強磁性積層膜310と自由層320と非磁性スペーサー層330とは適宜加えられた層と併せて磁気抵抗効果素子部305を形成する。
In the present embodiment, the
図11では、磁気抵抗効果素子部305は反強磁性結合層340と界面強磁性金属層350とを任意で更に備えるものとして図示されている。また、図11には、強磁性積層膜310に電気的に接続された第1配線(下部配線)360と、自由層320に電気的に接続された第2配線(上部配線)370も示されている。
In FIG. 11, the magnetoresistive effect element portion 305 is illustrated as optionally further including an
<強磁性積層膜>
強磁性積層膜310は、磁化が固定した固定層として用いられる。強磁性積層膜310は、上記の実施形態に係る強磁性積層膜である。すなわち、強磁性積層膜310は、例えば図1から図7に示される強磁性積層膜10から16のいずれかであり、図1に示す強磁性積層膜10であっても良いし、図2に示す強磁性積層膜11であってもよい。上述のように、磁気抵抗効果素子を保磁力差型(擬似スピンバルブ型;Pseudo spin valve 型)のMRAMに適用する場合には、固定層の保磁力は自由層の保磁力よりも大きいものとされる。ここで、固定層として用いられる強磁性積層膜310は、高い磁気異方性と高い飽和磁化とを兼ね備えるものである。また、固定層として用いられる強磁性積層膜310は、保持力に優れ、ひいては熱安定性に優れる。<Ferromagnetic layered film>
The ferromagnetic
本実施形態の強磁性積層膜を固定層として備える磁気抵抗効果素子においても、公知の磁気抵抗効果素子の構成を用いることができる。例えば、強磁性積層膜310以外の各層も複数の層からなる構成を用いることができる。
The known magnetoresistive effect element structure can also be used in the magnetoresistive effect element including the ferromagnetic laminated film of the present embodiment as the fixed layer. For example, each layer other than the ferromagnetic
固定層として用いられる強磁性積層膜310は膜面に垂直な磁化を有する垂直磁化膜であることが好ましい。そのため、自由層320も磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜として構成される。固定層として用いられる強磁性積層膜310の磁化が垂直磁化であると、反強磁性体を用いたピニング層を用いる必要性がなくなるため、350℃以上の熱処理に耐えることができ、高い磁気抵抗効果が得られるため好ましい。
尚、強磁性積層膜310の磁化の向きは、膜積層方向に対して傾いていることも好ましい。SOTの固定層として用いられる強磁性積層膜310の磁化の向きが膜積層方向に対して傾いていると、自由層320への、強磁性積層膜310からの漏れ磁場が傾き、無磁場での磁化反転が可能となる。The ferromagnetic
The direction of magnetization of the ferromagnetic
自由層320の材料として、強磁性材料を適用することができる。また、自由層320の材料としては特に軟磁性材料を好適に適用できる。自由層の材料は、これらに限定されるものではないが例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。自由層320は上述の材料のうち、Co‐Fe、Co‐Fe‐B、Ni‐Feが挙げられ、Co‐Fe‐Bが特に好ましい。
A ferromagnetic material can be applied as the material of the
非磁性スペーサー層330の材料は、上記非磁性スペーサー層240の材料と同じである。非磁性スペーサー層330の材料は例えば、MgOが好ましい。
The material of the
磁気抵抗効果素子部305は、反強磁性結合層340及び界面強磁性金属層350を更に備えて、合成反強磁性(SAF)構造を形成してもよい。このようなSAF構造では、強磁性積層膜310と界面強磁性金属層350とが、反強磁性結合層340を介してRKKY相互作用によって反強磁性結合し、これら二つの強磁性体の磁化の向きが互いに反平行となる。
The magnetoresistive effect element part 305 may further include an
反強磁性結合層340は非磁性層である。反強磁性結合層を構成する材料は、例えば、非磁性金属であるRu、Rh又はIrである。
The
界面強磁性金属層350は、強磁性層であり、参照層とも呼ばれる。界面強磁性金属層350を構成する材料は、自由層320を構成する材料と同じであってもよい。界面強磁性層350を構成する材料は、好ましくは、Co‐Fe‐Bである。
The interface ferromagnetic metal layer 350 is a ferromagnetic layer and is also called a reference layer. The material forming the interface ferromagnetic metal layer 350 may be the same as the material forming the
第1配線(下部配線)360は強磁性積層膜310に電気的に接続される。第2配線(上部配線)370は自由層320に電気的に接続される。図11において、第1配線360と第2配線370と電源(図示略)とは閉回路を構成し、磁気抵抗効果素子305の積層方向に電流が流される。
The first wiring (lower wiring) 360 is electrically connected to the ferromagnetic
第1配線360は、導電性の高い材料であればよく、特に限定されるものではない。第1配線360は、例えば、アルミニウム、銀、銅、金等であってもよい。
The
第2配線370も、導電性の高い材料であればよく、特に限定されるものではない。第2配線370は、第1配線360と同様な材料を用いることができ、第1配線360の材料と、第2配線370の材料とは同じ材料であっても良い。第1配線360の材料と第2配線370の材料とが同じである場合、磁気抵抗効果素子300は、例えば従来のSTT方式のみで磁化反転を行うものとなる。代替実施形態として、第2配線370を上記のようなスピン軌道トルク配線として構成し、磁気抵抗効果素子300においてSOT方式による磁化反転を利用するようにしてもよい。
The
(強磁性積層膜の製造方法)
本実施形態の強磁性積層膜の製造方法は、特に限定されるものではなく、公知の成膜法を用いることができる。成膜法は、例えば、物理的気相成長(PVD)法として、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、分子線エピタキシー(MBE)法、イオンプレーティング法、イオンビームデポジション法、スパッタリング法等を用いることができる。あるいは、化学的気相成長(CVD)法として、熱CVD法、光CVD法、プラズマCVD法、有機金属気相成長(MOCVD)法、原子層堆積(ALD)法等を用いることもできる。(Method for manufacturing ferromagnetic laminated film)
The method for manufacturing the ferromagnetic laminated film of the present embodiment is not particularly limited, and a known film forming method can be used. As the film forming method, for example, resistance heating evaporation, electron beam evaporation, molecular beam epitaxy (MBE) method, ion plating method, ion beam deposition method, sputtering method, etc. are used as physical vapor deposition (PVD) method. be able to. Alternatively, as the chemical vapor deposition (CVD) method, a thermal CVD method, a photo CVD method, a plasma CVD method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, an atomic layer deposition (ALD) method, or the like can be used.
得られた強磁性積層膜は、アニール処理することが好ましい。反応性スパッタで形成した層は、アモルファスであり結晶化する必要がある。 The obtained ferromagnetic laminated film is preferably annealed. The layer formed by reactive sputtering is amorphous and needs to be crystallized.
アニール処理して製造した強磁性積層膜は、アニール処理しないで製造した強磁性積層膜と比較して、磁気抵抗比が向上する。 The ferromagnetic laminated film manufactured by the annealing treatment has an improved magnetoresistive ratio as compared with the ferromagnetic laminated film manufactured without the annealing treatment.
アニール処理としては、Arなどの不活性雰囲気中で、300℃以上500℃以下の温度で、5分以上100分以下の時間加熱した後、2kOe以上10kOe以下の磁場を印加した状態で、100℃以上500℃以下の温度で、1時間以上10時間以下の時間加熱することが好ましい。 As the annealing treatment, heating is performed in an inert atmosphere such as Ar at a temperature of 300° C. or more and 500° C. or less for a time of 5 minutes or more and 100 minutes or less, and then a magnetic field of 2 kOe or more and 10 kOe or less is applied to 100° C. It is preferable to heat at a temperature of not less than 500° C. and not more than 1 hour and not more than 10 hours.
強磁性積層膜を所定の形状にする方法としては、特に限定されないが、フォトリソグラフィー等の加工手段を利用できる。まず強磁性積層膜を積層した後、その上にレジストを塗工する。そして、所定の部分のレジストを硬化し、不要部のレジストを除去する。レジストが硬化した部分は、強磁性積層膜の保護膜となる。レジストが硬化した部分は、最終的に得られる強磁性積層膜の形状と一致する。 The method for forming the ferromagnetic laminated film into a predetermined shape is not particularly limited, but a processing means such as photolithography can be used. First, after stacking a ferromagnetic laminated film, a resist is applied thereon. Then, the resist of a predetermined portion is cured and the resist of an unnecessary portion is removed. The portion where the resist is hardened serves as a protective film for the ferromagnetic laminated film. The hardened portion of the resist matches the shape of the finally obtained ferromagnetic laminated film.
そして、保護膜が形成された面に、イオンミリング、反応性イオンエッチング(RIE)等の処理を施す。保護膜が形成されていない部分は除去され、所定の形状の強磁性積層膜が得られる。 Then, the surface on which the protective film is formed is subjected to treatments such as ion milling and reactive ion etching (RIE). The portion where the protective film is not formed is removed to obtain a ferromagnetic laminated film having a predetermined shape.
本発明は、上記実施形態にかかる構成及び製造方法に必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能であり、種々の実施形態を組み合わせて実施してもよい。 The present invention is not necessarily limited to the configurations and manufacturing methods according to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. You may.
(磁気メモリ)
本実施形態の磁気メモリ(MRAM)は、本実施形態の磁気抵抗効果素子を複数備える。(Magnetic memory)
The magnetic memory (MRAM) of this embodiment includes a plurality of magnetoresistive effect elements of this embodiment.
1…第1磁性層、2…第2磁性層、3…第1非磁性層、4…第3磁性層、10,11,12,13,14,15,16,110,310…強磁性積層膜、100…スピン流磁化回転素子、120…スピン軌道トルク配線、130…電源、200,300…磁気抵抗効果素子、205,305…磁気抵抗効果素子部、230…固定層、240,330…非磁性スペーサー層、250…配線、260…基板、320…自由層、340…反強磁性結合層、350…界面強磁性金属層、360…第1配線、370…第2配線
1... 1st magnetic layer, 2... 2nd magnetic layer, 3... 1st non-magnetic layer, 4... 3rd magnetic layer, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 110, 310... Ferromagnetic lamination Film, 100... Spin current magnetization rotating element, 120... Spin orbit torque wiring, 130... Power supply, 200, 300... Magnetoresistive effect element, 205, 305... Magnetoresistive effect element part, 230... Fixed layer, 240, 330... Non Magnetic spacer layer, 250... Wiring, 260... Substrate, 320... Free layer, 340... Antiferromagnetic coupling layer, 350... Interface ferromagnetic metal layer, 360... First wiring, 370... Second wiring
Claims (14)
少なくとも一つの第2磁性層と、
少なくとも一つの第1非磁性層とを備え、
前記第1磁性層が前記第2磁性層又は前記第1非磁性層と交互に積層されていて、前記第1磁性層を構成する材料が前記第2磁性層を構成する材料と異なり、
前記第1磁性層と前記第1非磁性層と前記第2磁性層とは、前記第1磁性層と前記第1非磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせであり、かつ前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせである、強磁性積層膜。A plurality of first magnetic layers,
At least one second magnetic layer,
At least one first non-magnetic layer,
The first magnetic layer is alternately laminated with the second magnetic layer or the first non-magnetic layer, and the material forming the first magnetic layer is different from the material forming the second magnetic layer,
The first magnetic layer, the first non-magnetic layer, and the second magnetic layer are a material combination in which an interface magnetic anisotropy is generated between the first magnetic layer and the first non-magnetic layer, A ferromagnetic laminated film, which is a material combination that causes interfacial magnetic anisotropy between the first magnetic layer and the second magnetic layer.
前記第2磁性層がNiを含む強磁性材料で構成され、
前記第1非磁性層がTi、Zr、Hf、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt及びAuのうち少なくとも一種を含む非磁性材料で構成されている、請求項1に記載の強磁性積層膜。The first magnetic layer is made of a ferromagnetic material containing one or both of Co and Fe,
The second magnetic layer is made of a ferromagnetic material containing Ni,
The ferromagnetic stack according to claim 1, wherein the first non-magnetic layer is made of a non-magnetic material containing at least one of Ti, Zr, Hf, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt and Au. film.
前記第2磁性層がNiを含む強磁性材料で構成され、
前記第1非磁性層がV、Cr、Mo、Ta及びWのうち少なくとも一種を含む非磁性材料で構成されている、請求項1に記載の強磁性積層膜。The first magnetic layer is made of a ferromagnetic material containing one or both of Co and Fe,
The second magnetic layer is made of a ferromagnetic material containing Ni,
The ferromagnetic laminated film according to claim 1, wherein the first nonmagnetic layer is made of a nonmagnetic material containing at least one of V, Cr, Mo, Ta, and W.
前記強磁性積層膜の膜面面直の第1方向に対して交差する第2方向に延在し、前記強磁性積層膜の前記第1方向に位置するスピン軌道トルク配線と、を備えるスピン流磁化回転素子。A ferromagnetic laminated film according to any one of claims 1 to 6,
A spin orbit torque wiring extending in a second direction intersecting with a first direction directly in the plane of the ferromagnetic laminated film and located in the first direction of the ferromagnetic laminated film. Magnetization rotating element.
磁化の向きが固定されている固定層と、
前記強磁性積層膜と前記固定層との間に挟持された非磁性スペーサー層とを備える磁気抵抗効果素子。A spin current magnetization rotation element according to claim 7,
A fixed layer whose magnetization direction is fixed,
A magnetoresistive effect element comprising a non-magnetic spacer layer sandwiched between the ferromagnetic laminated film and the fixed layer.
自由層と、
前記強磁性積層膜と前記自由層との間に挟持された非磁性スペーサー層とを更に備える磁気抵抗効果素子。A ferromagnetic laminated film according to any one of claims 1 to 6 is provided as a fixed layer whose magnetization direction is fixed,
The free layer,
The magnetoresistive effect element further comprising a non-magnetic spacer layer sandwiched between the ferromagnetic laminated film and the free layer.
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